用碳酸鈉代替氫氧化鈉吸收氯尾氣的可行性

王冀鋒，鐘建云

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，青海 西寧 811600)

為了確保安全環(huán)保生產(chǎn)，離子膜法燒堿裝置皆設有廢氯氣吸收系統(tǒng)，防止氯氣逸出而損害人身健康和污染環(huán)境。

系統(tǒng)中的氯氣在尾氣風機輸出負壓(-2 kPa)的驅動下，采用兩塔吸收電解槽開停車產(chǎn)生的不合格氯氣、電解槽和氯化氫合成爐事故氯氣、各排放點排出的廢氯氣以及含氯系統(tǒng)置換出的廢氯氣等，使不正常情況下排放的氯氣經(jīng)吸收后趨于零排放[1]。該系統(tǒng)的設備須連續(xù)不斷地運轉，其堿液循環(huán)泵、引風機均配有事故應急電源。

1 氯吸收工藝流程簡述

來自吸收系統(tǒng)的含氯廢氣通過第2塔塔頂?shù)牧_茨風機吸入第1塔的下部，來自第1塔并經(jīng)過冷卻器的吸收液從塔上部泵入，再自上部噴淋而下，與含氯廢氣對流接觸，充分吸收；未被吸收的含氯廢氣從第1塔塔頂出來進入第2塔底部，進行進一步吸收，并采用第2塔循環(huán)泵將經(jīng)過冷卻器的吸收液泵入第2塔上部，再噴淋而下，進一步逆流吸收廢氯氣，保證羅茨風機排出口氯的含量小于1 mg/m3。

第1塔和第2塔底部的次氯酸鈉溶液和堿液自流入次氯酸鈉和堿液循環(huán)槽。其中，次氯酸鈉循環(huán)槽的一部分合格液體送往罐區(qū)質量分數(shù)為10%的次氯酸鈉槽，待出售。

2 基本原理

2.1 采用燒堿吸收法處理廢氯氣并生產(chǎn)次氯酸鈉

反應原理如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

氯氣在水中發(fā)生歧化反應生成鹽酸和次氯酸是一個可逆反應，存在動態(tài)平衡。其產(chǎn)物鹽酸和次氯酸會與氫氧化鈉發(fā)生酸堿中和反應，得到氯化鈉和次氯酸鈉，破壞了可逆平衡，并不斷促進氯氣在水中的歧化反應，使之趨于完全進行[1]?？偡磻缡?4)所示，放熱反應，所以必須及時轉移反應熱，否則會發(fā)生如下反應：

5NaCl+NaClO3+3H2O。

(5)

2.2 采用碳酸鈉吸收法處理廢氯氣并生產(chǎn)次氯酸鈉

反應原理如下。

(1)少量氯氣與過量碳酸鈉反應：

(1)

NaClO+NaCl+2NaHCO3。

(6)

(2)氯氣和碳酸鈉1∶1反應：

(1)

NaClO+NaCl+CO2↑+H2O。 (7)

(3)過量的氯氣與少量碳酸鈉反應：

(1)

NaClO+NaCl+CO2↑+H2O。

(8)

(4)濃碳酸鈉與氯氣反應：

2NaClO4+CO2↑+14HCl。

(9)

為了防止氯氣吸收不徹底而發(fā)生外泄事故，必須采用第2塔碳酸鈉過量吸收法處理廢氯氣，若要生產(chǎn)出氯酸鈉含量高的溶液，則溶液pH值要控制在6±0.5。

3 兩種工藝技術特點

3.1 溶解度

各物質的溶解度如表1所示。

3.2 采用燒堿吸收法處理廢氯氣并生產(chǎn)次氯酸鈉

(1)采用質量分數(shù)為0.1%～15%的稀堿液吸收氯氣有利于提高液氣比，增強反應過程中的傳質傳熱。

(2)采用質量分數(shù)為0.1%～15%的稀堿液吸收氯氣有利于反應過程中熱量的轉移，提高吸收效率，防止次氯酸鈉的高溫分解。

(3)采用質量分數(shù)為0.1%～15%的吸收堿液有利于反應副產(chǎn)物氯化鈉濃度的控制，防止氯化鈉結晶析出而影響生產(chǎn)的安全運行。

(4)吸收堿液可由電解單元質量分數(shù)為32%的燒堿輸送泵供給，通過與水比例的調(diào)節(jié)控制，配制質量分數(shù)為15%的吸收液，無須攪拌和手動操作。

3.3 采用碳酸鈉吸收法處理廢氯氣并生產(chǎn)次氯酸鈉

(1)根據(jù)碳酸鈉的溶解度特性和系統(tǒng)吸收液的工藝溫度(≤40 ℃)、儲存情況和溶劑的溫度，碳酸鈉吸收液的配制適宜質量分數(shù)為18%～20%。

(2)依據(jù)反應方程式(Na2CO3過量)：

(1)

NaCl+2NaHCO3。

(6)

控制20%的碳酸鈉溶液(碳酸鈉25 g、水100 g)吸收氯氣則有如下結果：次氯酸鈉的質量分數(shù)為8.2%，氯化鈉的質量分數(shù)為6.6%，碳酸氫鈉的質量分數(shù)為16.8%。此時，碳酸氫鈉已結晶析出，較易出現(xiàn)吸收塔及換熱器的堵塞，進而影響系統(tǒng)的安全運行。

控制碳酸氫鈉的質量分數(shù)≤7%，常溫下碳酸鈉的溶解度為8.85 g/(100 g·H2O)，此時，吸收氯氣的結果如下：碳酸鈉的質量分數(shù)為8.9%，次氯酸鈉的質量分數(shù)為3.3%，氯化鈉的質量分數(shù)為2.6%。此時，避免碳酸氫鈉的結晶析出，并降低了次氯酸鈉的濃度，導致產(chǎn)品不合格。

(3)在n(Cl2) ：n(Na2CO3)=1∶1或Cl2過量的條件下，依據(jù)反應方程式：

(1)

NaClO+NaCl+CO2↑+H2O。

(10)

控制次氯酸鈉的質量分數(shù)為10%，吸收氯氣則有如下結果：碳酸鈉的質量分數(shù)為13.7%，氯化鈉的質量分數(shù)為8%，二氧化碳的最大產(chǎn)出量為吸收氯氣的0.62倍。

(4)依據(jù)反應方程式：

(1)

(11)

由于次氯酸無法與碳酸氫鈉反應,所以總的方程式為：

(12)

控制碳酸氫鈉的質量分數(shù)≤7%，常溫下碳酸鈉的溶解度為8.85 g/(100 g·H20)，吸收氯氣后的結果：二氧化碳最大產(chǎn)出量為吸收氯氣的0.62倍。

4 經(jīng)濟分析

4.1 采用燒堿吸收法處理廢氯氣并生產(chǎn)次氯酸鈉

根據(jù)化學反應方程式：

(13)

吸收1 t氯氣須消耗氫氧化鈉1.13 t，按照氫氧化鈉(折100%)價格3 800元/t計，則需要費用：

3 800×1.13=4 294(元)。

4.2 采用碳酸鈉吸收法處理廢氯氣并生產(chǎn)次氯酸鈉

根據(jù)化學反應方程式：

(14)

吸收1 t 氯氣須消耗碳酸鈉2.99 t，按照碳酸鈉價格1 400元/t計，則:

1 400×2.99=4 186(元)。

根據(jù)化學反應方程式：

(15)

吸收1 t 氯氣須消耗碳酸鈉1.49 t，按照碳酸鈉價格1 400元/t計，則:

1 400×1.49=2 086(元)。

5 結論

(1)為了防止碳酸氫鈉結晶析出而威脅安全生產(chǎn)，同時避免氯氣吸收不徹底排入大氣而造成環(huán)境污染，第2塔必須采用碳酸鈉過量反應原理，即控制碳酸鈉的質量分數(shù)在8.9%～13.7%。

(2)為了提高產(chǎn)品次氯酸鈉的質量，減少碳酸氫鈉的含量，第1塔必須采用氯氣過量或氯氣與碳酸鈉等摩爾比反應，即控制碳酸鈉的質量分數(shù)<8.9%、pH值=11；當pH值≤5.5時，根據(jù)反應式(8)，反應產(chǎn)物是NaClO4而非NaClO。

(3)第1塔內(nèi)氯氣過量時副產(chǎn)的二氧化碳和第2塔碳酸鈉過量時副產(chǎn)的碳酸氫鈉與氯氣繼續(xù)反應，產(chǎn)生的二氧化碳導致尾氣風機的排氣量是氫氧化鈉吸收液風機的1.7～2.0倍。

(4)副產(chǎn)物二氧化碳的排出，會造成溫室效應，污染環(huán)境，所以不屬于清潔生產(chǎn)。

(5)若碳酸鈉外購，溶液配制的勞動強度遠遠大于由電解裝置直接輸送氫氧化鈉的勞動強度。

(6)產(chǎn)品次氯酸鈉質量控制難度大，除同氫氧化鈉法一樣含有氯化鈉外，還含一定量高氯酸鈉。

(7)由于碳酸鈉價格低廉，對于次氯酸鈉品質要求不高的企業(yè)來說，生產(chǎn)1 t氯氣約節(jié)約運行成本2 000元/t。